什么是微滤和纳滤
在微过滤的情况下，使用比其他膜更多孔的膜分离技术，从而产生相对较高的通量。主要用于去除引起混浊的物料，可取代传统的颗粒过滤流程。最重要的设计参数是:
•跨膜压力
•切向速度
模块的尺寸和几何形状
•再循环系数
没有任何物质沉积的干净的水通过膜的通量遵循达西定律:
考虑渗透压的跨膜净压差由(AP - AH)给出，因此，渗透通量的表达式为:
Jw = (AP - AII)/MRra + Rc) (3)
AP =压差，N/m2 R™=内膜阻力，i/m Rc =表面沉积阻力，1/m fi =动态粘度，N-sec/m2
由于表面沉积而产生的电阻由以下关系式给出:
R， = 180(1 - e)2 5/(dp2e3) (4)
e =矿床孔隙度
6 =沉积物厚度，m dp =颗粒平均直径，m
商业废水处理系统被设计为浸入到现场建造的矩形混凝土罐中。这些是预先设计的模块化膜系统，通常使用具有0.2微米名义孔径的膜。真空泵通过浸没在顶部开放滤槽中的子模块的膜纤维吸水。这种纤维与传统过滤过程中使用的聚丙烯材料相同。典型的系统在真空环境下工作，利用率提高滤饼最大驱动压力在85-100kPa联盟的低压特性。
目前对膜微滤处理二次废水的研究还很少。微滤膜可用于获得浊度非常低的出水，处理后的水质变化很小。因为细菌和许多其他微生物也被去除，这种膜消毒可能避免需要氯和后续脱氯作用．也可以加入铁或铝的金属盐来提高膜的性能。例如，可以添加铁或铝混凝剂来沉淀其他可溶性物质，如磷和砷，以及改善病毒颗粒的去除。胶体材料的混凝也可通过以下途径增加涂膜上颗粒的有效尺寸并增加渗透通量:1)减少污物对膜孔的渗透;2)在膜表面形成更多孔的滤饼;3)减少颗粒输运时粒径效应导致的物质在膜上的堆积;4)改善膜的倒冲特性。
中试规模的膜微过滤所产生的渗透质量与传统过滤相似或更好。颗粒污染物(包括大肠菌群)的良好去除率已被观察到。在这方面，该工艺似乎与氯化法从二次废液中去除大肠菌群一样有效。一个关键的优势是过滤和消毒的能力在一个步骤，而不需要后续脱氯。初步结果表明，混凝预处理联合膜微滤也可以降低磷浓度。在横流模式下运行微过滤装置似乎没有任何优势，甚至可能有一些缺点。在死端模式下的膜的渗透质量和压降演变与在横流条件下获得的相似或更好。
虽然膜发生进程虽然近年来膜工艺已经成功地用于淡咸水和海水的脱盐，但新型膜工艺现在已经能够处理广泛的其他用途的水。其中一些新的、稳健的流程有望更好地满足我们当前的需求水处理目标比常规过程更重要颗粒介质过滤、碳过滤和氯消毒。工程师们用许多不同的方法对膜进行分类，包括用分离材料的驱动力(即压力、温度、浓度和电势)、分离机制、结构和化学成分以及结构几何来描述它们。在水处理中，最广泛使用的膜被广泛地描述为压力驱动。每种膜工艺最适合于特定的水处理功能。例如，微滤(MF)和超滤(UF)是非常低压的过程，最有效地去除颗粒和微生物。反渗透(RO)过程最有效地淡化微咸水和海水，去除天然有机物和合成有机物无机化学．纳滤(NF)通过去除钙离子和镁离子来软化水。这些所谓的纳米过滤器还可以有效地去除由氯等氧化剂产生的消毒副产物的前体。
近十年前，使用MF和UF等低压膜进行消毒和颗粒去除只是一个正在研究的概念，或仅在有限的基础上使用。水界预见到不使用化学品进行初级消毒的可能性。此外，隐孢子虫，一种引起多起疾病暴发的水传肠道病原体，逐渐显示出对传统的抗性消毒剂如氯。因此，研究人员认为，应该更加重视通过物理手段而不是化学手段去除生物体。
与传统处理方法相比，膜处理还有其他优点。他们减少的数量单元过程用于澄清和消毒处理系统，并增加过程自动化和工厂紧凑性的潜力。设计师还认为，膜工厂可以比相同容量的传统工厂小得多，并且考虑到它们的模块化配置，可以很容易地扩展。此外，这些工厂将产生比传统工厂更少的污泥，因为它们不会使用凝结剂或其他化学物质
今天，MF和UF的许多预期效益已经实现。这些技术为饮用水供应，因为他们减少的水平贾第虫属和隐孢子虫，以及各种细菌，低于检测水平。MF和UF工厂目前在世界各地运行。在欧洲有几家大型UF工厂。在美国，位于加利福尼亚州萨拉托加的圣何塞水务公司是第一个建造大型MF工厂(17000立方米/天)的公司。在加利福尼亚州的Rancho Cucamonga，一个产能为15,000立方米/天的工厂，在威斯康星州的Kenosha，一个产能为68,000立方米/天的工厂正在建设中。最大的消毒和颗粒去除装置，一个10.6万立方米/天的UF装置，正在德克萨斯州Del里约热内卢计划中。今天，美国的MF和UF产能超过40万立方米/天，无论是在运行中还是在规划阶段。预期的美国环保局消毒剂/消毒副产物规则将把三卤甲烷(THM)的最大污染物水平(MCL)从100图/升降低到80图/升，并将卤乙酸(HAA)的最大污染物水平(MCL)设置为60图/升。因此，纳滤和反渗透膜工艺受到了相当多的关注，因为它们可以有效地去除这些副产物的前体。反渗透和纳滤膜，除了淡化微咸水和海水外，还被用于去除无机化学物质，如硝酸盐，以及合成有机化学物质。 NF plants have been installed since the 1980s in Florida to remove color and hardness from groundwater. Today, there is 568,000 m3/day of installed NF and RO capacity
膜厂设计从膜的选择开始，膜的组成可以是有机的或无机的。膜制造商努力制定膜，提供所需的渗透质量，耐用和抗污染，并可以在一个有竞争力的成本生产。大多数商业水处理NF和反渗透膜由有机聚合物组成，是不对称的。活动层负责分离过程通常是几微米厚，并支持在一个高渗透性的层，增加了机械强度的膜。用于纳滤和反渗透系统的一种非对称膜，即薄膜复合材料(TFC)，在饮用水处理方面显示出巨大的前景。这些膜通常由涂覆在微孔层上的超薄活性层组成，而微孔层反过来又由机械坚固的基础支撑。TFC膜通常比对称膜具有更高的透水性和耐化学性。MF和UF膜以非对称或对称构型构造。许多亲水和疏水聚合物材料被用于制造这些膜。这些包括纤维素聚合物、聚丙烯、聚砜和聚酰胺。材料的选择将影响污染物排斥特性、耐久性和污染潜力。
膜系统由膜元件或组件组成。用于饮用水处理，NF和RO膜模块通常以螺旋结构制造。螺旋元件的一个重要考虑因素是进料间隔的设计，它可以促进湍流以减少污垢。MF和UF膜通常使用中空纤维几何结构。这种几何形状不需要广泛的预处理，因为纤维可以定期反冲洗。这些中空纤维系统中的流动既可以是从膜纤维的内腔向外流动(由内而外流动)，也可以是从纤维的外向内流动(由外而内流动)。管状纳滤膜现在刚刚进入市场。MF和UF系统可以设计成在各种工艺配置中运行。一种常见的配置是给水以切向膜的横流泵送。通常提供的唯一预处理是粗筛(通常为50 - 300¿im)。渗透薄膜的水是干净的。 The water that does not permeate is recirculated as concentrate and blended with additional feedwater just after the preliminary filter. To control the concentration of the solids in the recirculation loop, some of the concentrate is discharged at a specified rate.
MF和UF系统也可以在直接过滤配置下运行，没有横流(或再循环)。这通常被称为终端过滤。所有经过筛选的给水都通过膜。因此，除了一小部分水用于定期反冲洗系统外，这些水的回收率为100%。MF和UF工厂通常依赖于液体或气动反冲洗系统。大多数MF和UF水处理厂使用这种直接流动配置，因为它不需要再循环，大大节省了能源。由于不需要购买再循环泵和相关管道，也节省了资本成本。
反渗透和NF系统通常分一系列阶段运行。在一个三级系统中，第一级由三个压力容器组成，其中通常包含四到八个膜元件;第二级有两个压力容器;最后阶段有一个。在全尺寸工厂中，元件长约1,000毫米，直径为200毫米。从每个压力容器中收集渗透液。第一阶段的浓缩物作为第二阶段的饲料;第二阶段的浓缩液是第三阶段的饲料。因此，阵列的每个连续阶段都增加了总系统恢复。
对于许多地下水应用，预处理需要RO或NF
包括添加酸或抗垢剂，然后通过滤芯过滤器进料。然而，对于地表水，更广泛的预处理是必要的。这可能包括常规治疗，MF, UF，慢砂过滤或者，在某些情况下，是颗粒状的活性炭吸附．
一种用于地表水和三级废水处理的创新工艺配置涉及使用双膜系统，由低压膜和高压膜串联组成。这种处理方法对微生物和化学污染物的控制都是有效的。第一层膜(MF或UF)用于帮助防止第二层，高压膜系统(RO或NF)的污染。在荷兰，将于今年年底完工的Heemskirk水处理厂将使用53000立方米/天的双膜工艺(UF和TFC-RO)处理Ijssel河的水。加州圣地亚哥也将使用一种集成到其处理系统中的双膜系统，作为净化三级废水以供饮用再利用的方法的一部分。另一种系统使用被设计成浸泡在工艺罐中的膜，通过膜中空纤维管腔吸水而不是加压。
中试试验通常是成功的膜厂设计的一个关键方面。开展中试研究的重要原因之一是评价水质对膜污染的影响。确定该过程对特定水源是否可行是至关重要的，特别是对那些在季节性基础上表现出显著水质变化的水源。进行试点试验的其他原因包括证明符合法规、确定最有效和最适当的工艺、评估新膜产品和为全面工厂建立设计标准。设计人员还可以通过使用具有不同预处理工艺但操作条件相同的并行处理列车进行实验来评估预处理方案。这避免了数据解释中的混杂因素，例如改变水源水质。设计师还可以验证和微调现场特定条件的化学清洗程序。在试点研究中，设计人员能够优化多级安装中每个单独阶段的操作条件。
当膜过滤掉水中的杂质时，膜本身就会被污染(或堵塞)，效率就会降低。膜的污染一直是阻碍其在工业中广泛应用的主要障碍之一水处理。膜系统以两种模式之一运行:恒定的跨膜水通量(每单位膜面积的流量)与可变压力;或者恒压，可变跨膜水通量。前者更为常见。膜污染发生在跨膜压力增加以维持特定的水通量或当系统在恒压下运行时水通量减少的过程中。一般来说，膜会被无机颗粒(如粘土、铁、锰和二氧化硅)和有机化合物(如腐殖酸和富里酸、亲水和疏水材料以及蛋白质)的积累所污染。细菌也可以附着在膜上，形成生物膜。预测污垢的准确测试仍然不存在。然而，研究人员可以在化学清洗之前对被污染的膜进行“解剖”，以分析污染的性质和成分。然后他们可以调整预处理和化学清洗程序。污垢可以通过流体动力学和化学方法、周期性反冲洗和化学清洗来控制。 Other methods include improving pretreatment and changing operating conditions. Membrane fouling rates are functions of the operating conditions such as water flux and recovery. Typically, reducing the operating flux and recovery will reduce fouling. Research shows that, for MF and UF, increasing the frequency of backwashing also decreases the rate of fouling. Because filtered or raw water is used for backwashing, the net recovery of direct-flow MF and UF systems decreases as the frequency of backwashing increases. Improved pretreatment also reduces membrane fouling. Water treatment operators have decreased MF and UF fouling rates by using coagulation/flocculation/sedimentation and dissolved空气浮选预处理。
化学结垢是发生在NF和RO工厂的另一种形式的污垢。碳酸钙、硫酸钙和硫酸钡等盐的热力学溶解度对系统的回收率有一个上限。因此，必须在回收率低于这个临界值时运行系统，以避免化学结垢，除非调整水的化学成分以防止沉淀。可以通过调整pH值或添加抗垢剂或两者兼用来提高系统回收率。
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